Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cette étude présente une recherche de particules à durée de vie longue se désintégrant en paires de leptons de charges opposées décalées, établissant des limites supérieures de premier plan sur les sections efficaces de production pour des modèles de référence de $Z'$ et de supersymétrie violant la parité $R$, sans observer aucun événement candidat.

L'essentiel

La Vue d'Ensemble : La Chasse aux Particules « Fantômes »

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme une arène géante de collisions automobiles à grande vitesse. Les scientifiques font entrer en collision des protons à une vitesse proche de celle de la lumière, espérant recréer les conditions de l'univers juste après le Big Bang. Habituellement, lorsque ces particules entrent en collision, elles se brisent en d'autres particules qui s'envolent et frappent les détecteurs presque instantanément.

Mais que se passerait-il si certaines de ces particules étaient comme des fantômes ? Que se passerait-il si elles étaient créées lors de la collision, mais qu'au lieu de disparaître immédiatement, elles parcouraient quelques centimètres, voire quelques mètres à travers le détecteur avant de finalement « pff » se transformer en quelque chose que nous pouvons voir ? On appelle cela des Particules à Vie Longue (PVL).

Ce papier est un rapport de l'équipe ATLAS (un groupe massif de scientifiques) déclarant : « Nous avons cherché très attentivement ces fantômes dans nos données de 2015 à 2018, mais nous n'en avons trouvé aucun. »

Le Travail de Détective : Chercher des « Vertices Déplacés »

Pour trouver ces fantômes, les scientifiques devaient rechercher un indice spécifique appelé un Vertex Déplacé (VD).

• Le Scénario Normal : Habituellement, lorsque des particules sont créées, elles laissent une « traînée de fumée » (une trace) qui commence exactement au centre de la collision (le Vertex Primaire).
• Le Scénario Fantôme : Si une particule à vie longue existe, elle s'éloigne du centre, puis se désintègre. Lorsqu'elle se désintègre, elle crée une nouvelle « traînée de fumée » (une paire de particules chargées, comme des électrons ou des muons) qui commence loin du centre.

L'Analogie :
Imaginez un spectacle de feux d'artifice.

• Particules normales : Le feu d'artifice explose juste dans votre main, et les étincelles s'envolent immédiatement.
• Particules à vie longue : Le feu d'artifice est lancé dans les airs, vole pendant quelques secondes, et ensuite explose dans le ciel. Le « point d'explosion » (le vertex) est déplacé par rapport à l'endroit où vous l'avez lancé.

Le détecteur ATLAS est un appareil photo géant et haute technologie qui prend des photos de ces feux d'artifice. Les scientifiques ont créé un algorithme spécial pour ignorer les feux d'artifice qui explosent dans votre main et ne chercher que ceux qui explosent dans le ciel.

Les Trois Suspects (Modèles de Référence)

Les scientifiques ne cherchaient pas n'importe quel fantôme ; ils avaient trois « suspects » spécifiques en tête, basés sur des théories qui étendent notre compréhension actuelle de la physique (Modèle Standard). Ils ont vérifié si ces suspects pouvaient se cacher dans les données :

1. Le Scalaire Lourde et le Boson $Z'$ : Imaginez une particule parente lourde et invisible (un scalaire) qui se divise en deux « enfants » à vie longue (des bosons $Z'$). Ces enfants s'envolent et finissent par se transformer en paires de particules de charges opposées (comme un électron et un positron, ou deux muons).
2. Le Gluino et le Neutralino : Dans une théorie appelée Supersymétrie (SUSY), il existe des particules lourdes appelées gluinos. Lorsqu'ils se désintègrent, ils pourraient produire un « neutralino » (une particule fantomatique) qui vit pendant un certain temps avant de se transformer en deux particules chargées et un neutrino.
3. L'Électrofaible : Une variante de ce qui précède, où le neutralino est produit par d'autres particules lourdes appelées charginos ou neutralinos plus lourds.

La Stratégie de Recherche : Comment Ils Ont Cherché

L'équipe a analysé 140 fb⁻¹ de données. Pour vous en donner une idée, si un « fb » était un seul grain de sable, ils auraient analysé une montagne de données.

• Le Filet : Ils ont mis en place un filet très spécifique. Ils n'ont capturé que les événements où :
  • Deux particules chargées (leptons) apparaissaient.
  • Elles formaient un « vertex » clair (un point de rencontre) à l'intérieur du système de traçage interne du détecteur.
  • Ce point de rencontre était déplacé (à au moins 2 mm du centre de la collision).
  • Les particules avaient suffisamment d'énergie pour être réelles, et non juste du bruit aléatoire.
• Le Bruit de Fond : L'univers est désordonné. Parfois, des traînées aléatoires se croisent par accident, ou des rayons cosmiques (particules venant de l'espace) frappent le détecteur et ressemblent à une désintégration. Les scientifiques ont utilisé des mathématiques astucieuses pour estimer combien de ces « faux fantômes » ils devraient s'attendre à voir.
  • Analogie : Si vous cherchez un type spécifique d'oiseau dans une forêt, vous devez savoir combien de feuilles ressemblent à cet oiseau pour ne pas vous faire tromper.

Les Résultats : Le Grand Silence

Le Verdict : Ils ont trouvé zéro événement correspondant à leurs critères.

• L'Attente : Sur la base de leurs calculs de bruit de fond (accidents aléatoires), ils s'attendaient à voir un tout petit nombre d'événements (moins d'un, essentiellement zéro).
• La Réalité : Ils en ont vu zéro.

C'est en fait un bon résultat ! Cela signifie que leur détecteur fonctionne parfaitement et que leurs calculs de bruit de fond sont précis. Cependant, cela signifie aussi qu'aucune nouvelle particule à vie longue n'a été trouvée dans cette recherche spécifique.

Ce Que Cela Signifie pour la Physique

Puisqu'ils n'ont pas trouvé les particules, ils n'ont pas découvert une nouvelle loi de la physique. Au lieu de cela, ils ont fait quelque chose d'aussi important : Ils ont dressé un panneau « Interdit d'Entrer ».

• Fixer des Limites : Parce qu'ils n'ont pas trouvé les particules, ils peuvent affirmer avec 95 % de confiance : « Si ces particules fantômes existent, elles ne peuvent pas être aussi lourdes, ou elles ne peuvent pas vivre aussi longtemps, ou elles ne peuvent pas être produites aussi souvent. »
• Éliminer des Théories : Ils ont maintenant éliminé une énorme partie de la « carte » où ces particules auraient pu se cacher. Plus précisément, ils ont exclu :
  • Des scalaires lourds se désintégrant en bosons $Z'$ avec des masses comprises entre 0,1 et 2,2 TeV.
  • Des neutralinos (issus des modèles SUSY) avec des masses allant jusqu'à 2,2 TeV, à condition qu'ils vivent pendant une certaine durée (correspondant à un parcours de 1 mm à 10 000 mm).

L'Essentiel

Considérez ce papier comme une recherche très minutieuse d'un chat perdu dans une maison.

• Les scientifiques ont regardé dans chaque pièce (le traçage interne).
• Ils ont cherché les empreintes de pattes spécifiques du chat (le vertex déplacé de deux leptons).
• Ils ont vérifié les fausses empreintes de pattes laissées par le chien (le bruit de fond).
• Résultat : Aucun chat n'a été trouvé.

Conclusion : Le chat n'est pas dans cette maison (ou du moins, pas dans les pièces spécifiques et les tailles qu'ils recherchaient). Cela indique aux futurs chasseurs de chats (physiciens) qu'ils doivent chercher dans d'autres maisons, ou peut-être que le chat est d'une couleur différente de ce qu'ils pensaient. La recherche continue, mais les « cachettes faciles » ont été dégagées.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de particules à longue durée de vie utilisant des sommets déplacés de leptons de charges opposées

Problème et motivation
Les particules à longue durée de vie (LLP) constituent une prédiction bien motivée dans diverses extensions du Modèle Standard (MS), notamment les modèles Hidden Valley, la supersymétrie divisée, la supersymétrie violant la parité R (RPV) et la brisure de supersymétrie médiée par les jauges. Ces particules possèdent souvent des longueurs de désintégration macroscopiques en raison de couplages faibles, de petites séparations de masse ou de symétries approximatives. Une LLP neutre se désintégrant en une paire de leptons de charges opposées ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ ou $e^\pm\mu^\mp$) produit un sommet déplacé (DV) au sein du système de trajectographie interne, une signature présentant un bruit de fond du MS minimal. Alors que les recherches précédentes d'ATLAS et de CMS visaient des LLP plus légères ou utilisaient des sous-ensembles de données, cette analyse répond au besoin d'une recherche exhaustive utilisant l'ensemble des données du Run 2 pour sonder des échelles de masse plus élevées et une plus large gamme de durées de vie, y compris les mélanges de saveurs de leptons ($e\mu$) qui n'avaient pas été ciblés dans ce contexte spécifique par ATLAS.

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 et 2018. La recherche vise des LLP neutres lourds se désintégrant en paires de dileptons au sein du détecteur interne (ID).

• Reconstruction : Pour récupérer l'efficacité des traces provenant de désintégrations déplacées, l'analyse utilise à la fois l'algorithme de trace standard (ST) et l'algorithme de trace à grand rayon (LRT). L'algorithme LRT assouplit les exigences sur les paramètres d'impact transversal ($d_0$) et longitudinal ($z_0$) (jusqu'à 300 mm et 1500 mm, respectivement) et autorise un plus grand nombre de modules de silicium partagés. Un algorithme dédié de reconstruction de DV forme des sommets à partir de combinaisons de traces ST et LRT, exigeant l'absence de coups entre le sommet et le sommet primaire (PV) et au moins un coup dans la première couche de pixels ou de SCT lorsque la trace émerge du DV.
• Sélection d'événements : Les événements sont déclenchés à l'aide de déclencheurs de muons « MS only » ($p_T > 60$ GeV) ou de déclencheurs de photons (photon unique $p_T > 140$ GeV ou diphoton $p_T > 50$ GeV) pour éviter de dépendre des informations de traces de l'ID, inefficaces pour les objets déplacés. Les événements de signal nécessitent un PV avec au moins deux traces, un DV reconstruit avec un déplacement transversal $R_{xy} > 2$ mm, et un DV situé dans $R_{xy} < 300$ mm et $|z_{DV}| < 300$ mm. La masse invariante du dilepton doit dépasser 12 GeV. Un veto de rayons cosmiques est appliqué pour rejeter les paires de muons dos à dos.
• Estimation du bruit de fond : Les bruits de fond du MS provenant de désintégrations promptes sont supprimés par des exigences cinématiques et géométriques. Les bruits de fond restants sont estimés à partir des données :
  • Rayons cosmiques : Estimés à l'aide d'une région de contrôle avec des critères de veto cosmique inversés, en extrapolant la distribution $\Delta R_{cos}$.
  • Croisements de traces aléatoires : Estimés à l'aide d'une méthode de mélange d'événements « jouet » où des leptons provenant d'événements de données différents sont combinés. Aucun DV de dilepton reconstruit n'a été trouvé dans $10^6$–$10^8$ événements jouets par canal, établissant une limite supérieure sur la probabilité de croisement aléatoire.
• Modèles de référence : Les résultats sont interprétés dans trois modèles :
  1. Modèle $Z'$ : Production par paires d'un scalaire lourd $S$ se désintégrant en bosons $Z'$ à longue durée de vie, qui se désintègrent en paires de leptons.
  2. Modèle de gluino (RPV MSSM) : Production par paires de gluinos ($\tilde{g}$) se désintégrant en quarks et un neutralino à longue durée de vie ($\tilde{\chi}^0_1$), qui se désintègre via des couplages RPV ($\lambda_{121}$ ou $\lambda_{122}$) en $\ell^+\ell'^-\nu$.
  3. Modèle EWkino (RPV MSSM) : Production directe d'électroweakinos ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, etc.) où le $\tilde{\chi}^0_1$ est le LSP à longue durée de vie.

Contributions clés

• Ensemble complet des données du Run 2 : Il s'agit de la première analyse publiée d'ATLAS utilisant l'intégralité des 140 fb$^{-1}$ des données du Run 2 pour une recherche de sommets déplacés de dileptons.
• Couverture des saveurs : C'est la seule recherche à inclure simultanément des sommets déplacés pour des paires de dimuons, de dielectrons et d'électrons-muons.
• Indépendance du modèle : La sélection ne nécessite pas d'impulsion transverse manquante ni de jets, et autorise des traces supplémentaires dans le DV, maintenant ainsi une sensibilité à une large gamme de modèles.
• Efficacité de reconstruction : L'inclusion de traces LRT et de critères d'identification modifiés améliore considérablement l'efficacité de reconstruction des leptons déplacés par rapport aux analyses précédentes reposant uniquement sur des traces standard ou des informations du spectromètre à muons.

Résultats
Aucun événement n'a été observé dans la région de signal, ce qui est cohérent avec l'attente de bruit de fond. Des limites supérieures sur les sections efficaces de production sont fixées au niveau de confiance de 95 % en utilisant la méthode $CL_s$.

• Modèle $Z'$ : Des limites sont fixées pour des masses de scalaire ($m_S$) allant de 0,5 à 1,5 TeV et des masses de $Z'$ de 100 à 700 GeV. Pour une $m_S$ fixe, les bosons $Z'$ plus légers sont contraints à des durées de vie plus longues, tandis que les bosons $Z'$ plus lourds sont contraints à des durées de vie plus courtes en raison des boosts cinématiques.
• Modèle de gluino : Pour des masses de gluino ($m_{\tilde{g}}$) de 1,5 à 2,5 TeV et des masses de neutralino ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) de 0,1 à 1,7 TeV, l'analyse exclut des portions significatives de l'espace des paramètres de couplage $\lambda_{121}$ et $\lambda_{122}$. Pour $m_{\tilde{g}} = 1,5$ TeV, des durées de vie ($c\tau$) de 1 à 10 000 mm sont exclues pour la plupart des masses de neutralino.
• Modèle EWkino : Pour des masses de neutralino de 0,1 à 1,3 TeV, l'analyse exclut des durées de vie de 1 mm jusqu'à plusieurs mètres, selon la masse et le couplage. Pour $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0,5$ TeV, la gamme complète des durées de vie considérées (1–10 000 mm) est exclue.

Signification
L'article affirme que cette analyse établit des limites de premier plan sur les sections efficaces de production pour plusieurs modèles, y compris des espaces de paramètres qui n'ont jamais été sondés directement. Plus précisément, elle fournit les premières limites sur les modèles de neutralinos à longue durée de vie de haute masse en utilisant les modes de production de gluinos et d'électroweakinos avec des désintégrations en paires de leptons (à l'exception des désintégrations de neutralinos produits par gluinos en muons ciblés dans une recherche précédente basée uniquement sur le spectromètre à muons). Les résultats complètent les recherches précédentes en étendant la portée en masse et en couvrant la gamme complète des données du Run 2, offrant ainsi un test robuste de la SUSY RPV et des scénarios génériques de $Z'$ dans le régime des LLP lourds.